作者：姜洋子，朱晓波，孙晶，曹明德
香港中文大学 (yangzjiang21@cuhk.edu.hk)
本科普工作获国家重点研发计划干细胞与转化医学重点专项2019YFA0111900项目支持（姜洋子 香港中文大学）
引言
NBA的传奇球星韦德在2013年接受采访时说，“我非常后悔十一年前切除了半月板，它导致了我日后连绵不断的膝盖伤病”。在刚刚结束的第十四届全运会上，中国香港的击剑奥运冠军张家朗也是因为半月板的问题直接退赛。小小一块半月板受到损伤，竟成为了这么多运动员的梦魇。
今天我们就和大家分享一些有关半月板的小知识以及和半月板修复与再生相关的最新研究进展。
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- 什么是半月板
可能很多人不知道半月板是什么，也不知道半月板在哪里。
半月板是膝盖里面的缓冲垫，位于膝关节股骨（大腿骨）和胫骨（小腿骨）之间，每个膝关节都有一对这样的缓冲垫，其形态酷似新月，所以叫半月板。
这一对半月板分别位于膝关节的内外两侧，内侧半月板较为宽大，呈“C”字形，覆盖了关节内侧约60%的关节软骨，外侧半月板相对较小，呈“O”字形，覆盖了关节外侧60-80%的关节软骨1。
图片来源于互联网；https://kneeworld.in/meniscal-tear
半月板不仅是膝关节内减震的缓冲“垫片”，同时它也是关节内的重要软骨组织，和关节面的软骨一样可以产生滑液润滑关节，负责保持关节的灵活和稳定。
- 半月板损伤是怎么回事
半月板在结构和功能上支持着膝关节的正常活动，同时也极易受到损伤，引发损伤的原因主要有以下两类：
1. 创伤性损伤：常见于年轻人，高发于运动损伤。在运动过程中的急速变向、反复弹跳和撞击等动作都容易造成半月板软骨所承受的瞬时压力增高，当压力超出了可承受范围，半月板就会撕裂。
2. 退变性损伤：多见于老年人。随着年龄增长，半月板也会发生老化，又称退行性病变。具体表现为半月板的弹性和耐磨性能逐渐下降，无法再像年轻时那样承受膝关节的反复活动摩擦。即便不是剧烈的活动，也可能引发半月板的撕裂。这也是很多中老年患者虽然没有明确的外伤史，也会出现半月板损伤的原因。
- 半月板受伤了怎么办，多休息能好吗
一般的人体组织受到损伤后，在损伤区域有良好的血液供应是组织愈合的关键，但是对受损的半月板而言，血供能促成的组织愈合程度和质量却是医学科学家们一直在探讨的一件事。为什么会这样呢？这是因为半月板的结构太特殊了，它的主体是由坚韧的细胞外基质例如胶原纤维（占组织干重的75%）构成，其中的细胞只占很少的部分，正常的半月板不是完全依赖血液供应来获取氧气和营养的。
半月板是一个血管分布较少的软骨组织，只有10~30%与关节囊相连的部分区域有血液供应1，这些区域肉眼看上去是红色的，所以被称为“红区”（内侧半月板边缘约有10~30%，外侧半月板边缘约有10~25%）。其余更靠近关节中心的半月板在结构上越来越像关节面的透明软骨，这些部位没有血管长入，是由关节内滑液的渗透来供给营养，被称为半月板的“白区”。
图片由本团队用BioRender绘制；右上图：人半月板白区缺损的离体模型，图中正在使用紫外光固化的水凝胶配合传统缝线尝试修复（Credit：Jiang Lab & Research Group）
医生在设计半月板损伤治疗方案时，首先会查看损伤的部位。如果损伤仅仅在红区是相对好办的。半月板在红区受到的损伤因为有血运，在制动（石膏或支具固定）或缝合后，是有自愈可能的。但是在白区或半月板的前后角受到的损伤，就和关节面的软骨受伤情况类似了，很难只靠休息就完全恢复。
老话常说“伤筋动骨一百天”，但半月板损伤却不是一个时间能解决的问题。当关节里的减震垫半月板受到损伤之后，和它直接接触的关节面软骨的局部受力也会因此而改变，一些区域受到的压力将大大提高2（见下图，红色代表了高应力区域），这样后续将影响关节的结构和功能，有可能继续发展成为骨关节炎。
该研究用一种计算机模拟的分析方法（有限元分析），模拟了不同类型半月板撕裂情况下，膝关节应力的改变（橘红色越深，应力越大）。红色箭头指示处为半月板撕裂处2。（图片来源于参考文献2）
为了避免撕裂的半月板进一步磨损关节软骨，对于红区的损伤，应尽量外科干预进行缝合，对于白区的难以愈合的撕裂，通常只能把破损的半月板做部分切除。失去了“减震垫”的关节软骨受到的压力显著增高，因而继发产生软骨损伤和骨关节炎的概率也大大升高。
因此，针对如何修复半月板、让半月板愈合这一重要问题，科学家们做了大量的研究。干细胞作为再生医学和细胞治疗的重要发展方向，具有治疗多种疾病的潜力。比如，干细胞作为种子细胞可以参与受损组织的修复再生；干细胞可以分泌很多细胞因子和生长因子，改善损伤组织的微环境；干细胞还具有免疫调节能力，能控制炎症反应，促进损伤组织的修复等。我们在此挑选一些有代表性的基于干细胞技术的半月板再生策略进行简介，以飨读者。
- 半月板损伤的修复和再生策略
总体来说，对半月板撕裂的修复策略可分为两种：其一是直接将具有分化潜能的各类干细胞置于撕裂处，促进撕裂愈合；其二是通过递送特殊“信号”，把组织内部静息的干细胞动员并招募到受损区域，促进撕裂的愈合。对于切除的半月板促进其组织再生的方法则主要遵从了组织工程的技术原理，如利用具有生物活性的、允许组织长入的支架材料来填补缺损组织，或者，将干细胞和生物材料支架结合，令其在受损区重新长出一块完整的组织。
以上所述方法都已经在动物实验中取得了令人鼓舞的效果。
1.临床前研究（动物研究）
1.1 撕裂的半月板如何修复
在早期研究中，科学家们发现滑膜来源的干细胞可以修复白区半月板的缺损。比如向关节腔内注射同种异体的滑膜来源的干细胞，12周之后发现可以有效修复兔子半月板白区的撕裂（用了两百万个细胞）3，此方法也能修复猪的半月板前角撕裂（修复此类大动物用了两千万个细胞）4。但是，在研究的过程中科学家们逐渐发现这类直接注射异体干细胞的策略存在感染和免疫原性的风险，也就是说，可能发生排异反应。
为了避免这些问题，科学家们又设计出了另一种不采用异体细胞的修复策略，直接利用生物活性分子召集组织内的干细胞到缺损区，行使组织修复的功能。比如在撕裂的半月板内加入能够促进细胞迁移的结缔组织生长因子（CTGF），将附近组织的干细胞招募到缺损区，再利用另一种促进干细胞向软骨组织分化的转化生长因子β3 (TGFβ3)，令迁移来的干细胞变成软骨细胞并且产生半月板的细胞外基质。这项策略的治疗效果在兔子撕裂的半月板中得到了验证：招募而来的干细胞新生成了胶原纤维，并且能和撕裂的组织边界重新连接进行修复5。
通过干细胞募集诱导内部半月板撕裂无缝愈合（图源：参考文献5）
除了上述细胞生长因子，具有生物活性的一些金属离子也有类似的功能。比如，我国的科学家最近就发现了特定浓度的镁离子（5 毫摩尔）能促进滑膜干细胞的迁移和黏附。因为金属镁在体内降解的过程中会缓慢释放出镁离子，于是科学家们按照离子释放的曲线设计了一种高纯度的镁线 (99.98%)，能在受伤的关节中持续提供有效浓度的镁离子，然后用这些镁线缝合了10只兔子半月板的放射状撕裂，12周之后这些裂隙竟完全的愈合了6。
1.2 切除的半月板如何再生
对于切除的半月板，科学家采用了组织工程的方法和技术进行组织的重建和再生。
比如最近我国科学家就发明了一种先进的细胞召集策略，成功地为兔子重建了半月板。科学家们首先设计并运用三维打印技术制造了兼具力学支持性能和生物活性的支架材料（结合了聚己内酯PCL材料、脱细胞基质以及光固化水凝胶GelMA 和HAMA），并在其中加入了具有促进细胞迁移和血管生成作用的血小板衍生生长因子-BB（PDGF-BB），和可促软骨分化的小分子药物Kartogenin（KGN）的高分子材料缓释系统（用聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA进行缓释）7。这一设计兼顾了组织修复再生过程中的方方面面，例如，可降解的聚己内酯材料能在重建初期代替切除的半月板对关节进行力学支撑，三维打印加入的生物活性支架能够为细胞长入提供良好的微环境，生长因子PDGF-BB的加入能够迅速召集附近的干细胞迁移到支架材料当中，而缓慢释放的KGN分子保证了长入的细胞不断生成新的软骨组织，形成了一个复杂且完整的半月板再生策略。这些重新长出的半月板在六个月后大约能达到正常半月板一半的承重能力7。
用于半月板再生的无细胞双释药仿生支架示意图（图源：参考文献7）
另一组我国的科学家采用了干细胞、生长因子、生物材料以及在体外模拟体内半月板受力的可控动态应力加压装置，为兔子重建了完整的半月板，并且这些再生的半月板达到了接近正常半月板的异质性结构和力学强度。该研究通过三维打印制备出聚己内酯材料的半月板支架，并将骨髓间充质干细胞与其混合，得到具有干细胞的半月板生物支架，然后将其在置入动物体内前进行了四周的预处理，包括给予促进干细胞向纤维软骨和透明软骨分化的生长因子，并且加入了和正常半月板受力类似的力学刺激。这样通过干细胞、生物支架材料、力学和生物学刺激的协同作用得到了半成熟的组织工程化半月板，再植入兔子半月板切除模型当中，24周后得到了和正常半月板几乎无异的结构和功能8。
这些最新的研究结果代表了本领域最先进的研究策略和技术进展，但还处于动物研究阶段，尚未进入临床试验阶段。
2.干细胞在半月板修复和再生中的临床应用研究现状
有关干细胞技术的临床研究结果表明，一些干细胞对于骨骼肌肉系统的某些疾病和症状有治疗效果，例如组织工程软骨干细胞治疗能修复再生损伤的关节软骨（上期回顾：干细胞能治疗骨关节炎吗？），以及脂肪来源的干细胞能缓解骨关节炎的症状等。对于治疗撕裂的半月板，干细胞治疗的临床实验也正在进行中，这些研究还处在早期验证阶段（仅有I/II期临床试验和若干个案报告）。值得一提的是，在2014年的一项多中心I/II期临床试验中，关节腔内注射同种异体骨髓间充质干细胞显示出了良好的半月板重建效果，这项研究用了两种细胞剂量（50×106；150×106），临床症状均有改善9。
下表我们为大家总结了目前已有报道的66例干细胞及基于干细胞的组织工程治疗修复撕裂的半月板的临床研究结果。
表1 已报道的66例基于干细胞技术修复撕裂半月板的临床研究结果
| 发表年份 | 研究类型 （病例数） | 细胞来源 细胞数量 | 使用方式 | 研究结果 | 参考文献 |
| 2014 | I/II期临床试验（55例） | 同种异体骨髓干细胞；50×106个细胞单次注射、150×106个细胞单次注射 | 细胞悬于玻璃酸钠，进行关节腔注射 | 该研究共招募了55名半月板部分切除患者，其中18名接受了50 ×106单剂量干细胞；另外18名接受了150×106的单次干细胞注射；19名患者接受玻璃酸钠（HA）注射。 随访结果显示，干细胞注射组在1年后半月板体积有了显著增长，显示出了良好的半月板重建潜力；患者的膝关节疼痛评分在注射2年后也有了显著改善。 | 9 |
| 2014 | 个案报告（1例） | 自体脂肪干细胞；（未报道细胞量） | 关节腔注射 | 该病例报告了1名左膝疼痛两年的32岁女性，伴膝关节肿胀2年，磁共振显示内侧半月板后角撕裂。注射自体脂肪干细胞3个月后，磁共振显示撕裂明显改善，18个月后，膝关节疼痛症状明显改善。 | 10 |
| 2019 | 个案报告（5例） | 自体滑膜干细胞； 32–70 × 106个细胞 | 关节镜下干细胞悬液注射至半月板损伤原位 | 该病例报告了用自体来源的滑膜干细胞治疗5名退行性内侧半月板撕裂的患者。在关节镜下半月板缝合同时，收集少量滑膜组织，体外扩增2周后注射回撕裂的缝合处。2年随访显示，患者的疼痛显著改善，同时磁共振上撕裂部位明显恢复。 | 11 |
| 2017 | 个案报告（5例） | 自体骨髓干细胞+胶原支架； 30,000个 细胞/平方毫米 | 关节镜下干细胞同支架移植至半月板损伤部位 | 该研究共招募5名半月板撕裂患者，进行自体骨髓来源的干细胞和胶原支架组成的组织工程技术进行治疗。随访2年后，其中3名患者已完全恢复，无任何临床症状，且无半月板撕裂的影像学征象。另外2名患者在术后15个月后因再次撕裂、不愈合进行了半月板的切除术。 | 12 |
- 结语
总体来说，利用干细胞移植修复半月板撕裂的研究已经到达了临床试验的阶段，从目前的短期随访结果来看，其干预效果是卓有成效的。但是想确认和推行这些治疗还需后期进行更大规模的、随访时间更长的临床试验和更多的基础研究。
对于重建切除的半月板，其再生策略还处在动物实验阶段，这也是近年来生物学与材料学结合进行临床转化研究的热点。
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本文前半段首发于微信公众号“骨关节炎防治”——文章《半月板损伤能自己长好吗？》
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